Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса 13
1.1. Характеристика объекта исследования 13
1.2. Обзор методов и средств обеспечения метрологической надежности ИИС 30
1.3. Задачи исследования 36
Выводы по 1 главе 39
Глава 2. Теоретические исследования обеспечения метрологической надежности ИИС 41
2.1. Анализ функционирования ИИС, управляющей процессом изготовления диоксида урана 41
2.2. Оценка неопределенности контроля сложных технологических процессов с помощью ИИС 45
2.3. Взаимосвязь метрологической надежности и эффективности технологических процессов 47
2.4. Взаимосвязь метрологической надежности ИИС в целом с надежностью каждого ИК при использовании взаимокорреляционной обработки сигналов ИК 54
2.5. Теоретический анализ эффективности применения взаимокорреляционной обработки информации 62
Выводы по 2 главе 64
Глава 3. Экспериментальная оценка метрологической ИИС для контроля технологического процесса производства порошка диоксида урана 66
3.1. Обоснование методики проведения экспериментальных исследований по оценке метрологической надежности ИИС 66
3.2. Экспериментальные исследования интенсивности деградации точности ИКИИС 83
3.3. Анализ результатов экспериментальных исследований ИИС производственного процесса на заводе ОАО «Машиностроительный завод» 91
Выводы по 3 главе 103
Глава 4. Внедрение результатов проведенных исследований 105
4.1. Качественный анализ полученных результатов 105
4.2. Методика оценки метрологической надежности ИИС, обслуживающей процесс получения порошка диоксида урана UO2 из гексафторида урана ОТб 106
4.3. Анализ результатов применения методики взаимокорреляционной обработки измерительной информации 114
4.4. Оценка эффективности практического освоения проведенных исследований 119
Выводы по 4 главе 121
Заключение 123
Основные выводы и результаты работы 124
Список литературных источников 126
Приложения 134
- Обзор методов и средств обеспечения метрологической надежности ИИС
- Оценка неопределенности контроля сложных технологических процессов с помощью ИИС
- Экспериментальные исследования интенсивности деградации точности ИКИИС
- Методика оценки метрологической надежности ИИС, обслуживающей процесс получения порошка диоксида урана UO2 из гексафторида урана ОТб
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время обеспечение качества промышленной продукции сопряжено с усложнением технологических процессов её производства. Для эффективного управления этими процессами необходимо иметь количественную информацию о совокупности их режимных параметров и значениях внешних воздействующих факторов (ВВФ). Получение такой информации, как правило, осуществляется при помощи информационно-измерительных систем (ИИС). При этом для сложных технологических процессов (например, процессы производства и получения многокомпонентных или особенно чистых материалов) число измеряемых параметров достигает нескольких сотен. Соответственно, и ИИС состоит из нескольких сотен измерительных каналов, предназначенных для контроля в реальном времени различных физических величин. Поэтому фактические метрологические характеристики (в первую очередь точность и её сохранение), реализуемых в процессе эксплуатации ИИС, являются важным инструментом управления качеством выпускаемой продукции.
Основными показателями технического совершенства ИИС является уровень их метрологических характеристик и метрологической надежности. Для обеспечения требуемых значений этих показателей в настоящее время прослеживается две тенденции: 1) качественное улучшение точностных свойств составляющих ИИС компонентов при одновременном уменьшении трудоёмкости обслуживания системы; 2) усложнение алгоритмов обработки измерительной информации с использованием ЭВМ при её сборе, обработке и хранении.
Развитие этих тенденций неизбежно приводит к необходимости совершенствовать подходы к эксплуатации этих систем и, в первую очередь, к обеспечению в производственных условиях их метрологической надежности, так как существующие нормативные методы в этой области не всегда отвечают практическим задачам. В частности, проведение поверочных и калибровочных работ, являющихся основой обеспечения метрологической надежности ИИС, приводит к организационным и техническим проблемам. Например, не всегда возможно демонтировать для поверки (калибровки) ИИС или её основные элементы, а также остановить технологический процесс, контролируемый с помощью ИИС (или оставить его бесконтрольным). Кроме того, использование эталонных средств измерений непосредственно в производственных условиях, как правило, затруднено.
Вместе с тем, большинство исследований, практических рекомендаций, нормативных документов, разработок и пр. направлены на повышение метрологической надежности ИИС в процессе их разработки и изготовления.
Учитывая, что количество разработчиков и производителей ИИС значительно меньше, чем количество их эксплуатационников, мероприятия, направленные на повышение именно эксплуатационной метрологической надежности могут дать наибольший практический результат. Таким образом, исследование и совершенствование методов и средств обеспечения эксплуатационной метрологической надёжности ИИС в производственных условиях представляется актуальной задачей.
Метрологическая надежность каждого измерительного канала ИИС и всей системы в целом в настоящее время строится на повышении требований к стабильности метрологических характеристик отдельных элементов этой системы. И метрологическое обслуживание осуществляется с позиций, общепринятых для отдельных средств измерений без учета системной специфики конкретной ИИС, обслуживаемого ею технологического процесса и условий эксплуатации. При этом не учитывается совокупность свойств ИИС, которая определяет сложное поведение системы при изменении метрологических характеристик её отдельных элементов.
Кроме того, учитывая, что ИИС является элементом управления качеством контролируемого технологического процесса, то её эффективность действия зависит не только от метрологических свойств, но и от коэффициента готовности ИИС. Настоящее исследование направлено на рассмотрение с системных позиций ИИС как совокупности взаимодействующих измерительных каналов (ИК) и установлении обобщенных информационно-метрологических свойств ИИС, обеспечивающих её метрологическую надежность и эффективность технологического процесса. Одним из основных свойств ИИС, которое может быть использовано для повышения её метрологической надежности, является многоканальность и информационная взаимокорреляция внутри групп ИК, имеющих некоторые факторы, функционально (не стохастически) связывающие изменения параметров, измеряемых в этих ИК.
Для выявления этих свойств устанавливаются: 1) корреляционные связи между ИК, имеющими общий фактор для измерения как однородных, так и разнородных измеряемых физических величин; 2) значения поправок результатов измерений во взаимокоррелированных ИК и прогнозируемой скорости потери точности каждого из этих ИК; 3) мероприятия по обеспечению коэффициента готовности ИИС, необходимого для эффективного управления технологическим процессом, обслуживаемым этой системой.
Традиционное обеспечение метрологической надёжности ИИС наряду с тщательным соблюдением всех предписанных условий эксплуатации как ИИС, так и её отдельных элементов, в конечном счёте, сводится к проведению поверок [5, 70 - 73]. При этом конкретные значения межповерочных интервалов определяют на основе теоретико-вероятностных подходов [14], т.е. на оценке частоты потери точности или длительности её сохранения в период между поверками, что обычно предполагает значительное количество подобных ИИС, эксплуатируемых в сходных условиях и обслуживающих однотипные технологические процессы, а также статистическую независимость ИК. Однако ИИС часто предназначены для получения информации об уникальных технологических процессах, а сигналы ИК взаимокоррелированы, так как контролируемый технологический процесс создаёт во всех (или, во всяком случае, в определённых группах) ИК функционально связанную составляющую. Взаимокоррелированными будут не только сигналы, но и по 8 мехи, вызванные мешающими воздействиями, в том числе и связанные с деградацией точности ИК с течением времени.
Ввиду появления новых технических возможностей, связанных с широким использованием вычислительной техники и усложненных алгоритмов обработки измерительной информации, появились предпосылки для упрощения обеспечения метрологической надежности и увеличения коэффициента готовности ИИС.
Для реализации данного подхода необходимо провести исследования, направленные на создание соответствующей модели повышения метрологической надежности ИИС и разработки соответствующих алгоритмов обработки информации во взаимокоррелированных ИК.
При традиционном подходе метрологическая надежность обеспечивается путем оперативного установления в нормативные сроки обычно при профилактическом и капитальном ремонте и (или) периодической диагностике ИИС. Такой подход, как правило, требует существенных затрат временных и материальных ресурсов и часто к формальной имитации соответствующих работ. Вместе с тем более логично проведение профилактических регулировочных, ремонтных и т.п. работ исходя из фактического значения метрологических характеристик ИИС.
Цель работы состоит в исследовании возможности повышения эксплуатационной метрологической надежности многоканальных ИИС за счет коррекций внутри межповерочного интервала результатов измерений на основе фактических данных о деградации точности в совокупности информационно взаимосвязанных измерительных каналов (ИК).
Исходя из вышеизложенного сформулированы следующие задачи работы.
Основные задачи работы:
1. Теоретически обосновать модель использования результатов взаимокорреляционной обработки информации во взаимосвязанных ИК для повышения метрологической надежности многоканальных ИИС.
2. Адаптировать существующие алгоритмические методы оценки фактической точности ИК для прогноза её деградации.
3. Экспериментально установить в производственных условиях закономерности ухудшения с течением времени точности ИК ИИС, обслуживающей технологический процесс производства порошка диоксида урана для тепловыделяющих элементов ядерных реакторов.
4. Обосновать инженерный способ и подтвердить экспериментально возможность увеличения межповерочных (межкалибровочных) интервалов многоканальных ИИС при сохранении их метрологической надежности.
Объект исследования. Эксплуатационная метрологическая надежность ИИС, обслуживающий сложный технологический процесс получения порошка диоксида урана для тепловыделяющих элементов ядерных реакторов.
Методы исследований. Результаты выполненных и представленных в работе исследований получены на основе системного использования методов теоретической и прикладной метрологии, математической статистики и корреляционного анализа, теории планирования эксперимента и редукции измерений, современных методов и аппаратных средств проведения экспериментальных исследований электронной и измерительной техники. Научная новизна.
1. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность использования для повышения эксплуатационной метрологической надежности многоканальных ИИС, обслуживающих слолшые непрерывные технологические процессы, специальной алгоритмической обработки данных о скорости изменения фактических погрешностей в информационно взаимосвязанных ИК.
2. Экспериментально изучен в производственных условиях на конкретной 196-ти канальной ИИС механизм деградации точности измерений во взаимокоррелированных ИК.
3. На основе анализа проведенных исследований предложен метод уточнения результатов измерений в многоканальных ИИС в течение межповерочного интервала.
Основная идея работы заключается в использовании системных свойств ИИС для повышения её метрологической надежности, применяя специальную алгоритмическую обработку взаимосвязанной информации в совокупности ИК.
Практическая значимость работы.
1. Подтверждение в производственных условиях возможности и целесообразности использования взаимокорреляционных связей между ИК ИИС для повышения её метрологической надежности.
2. На основе экспериментально установленного постоянства характера увеличения фактической погрешности для каждого из ИК ИИС предложена и успешно опробована на практике инженерная методика уточнения результатов измерений для информационно взаимосвязанных ИК.
3. Методические рекомендации по повышению метрологической надежности за счет взаимокорреляционной обработки измерительных сигналов в многоканальных ИИС и изменению на этой основе методики поверки и межповерочного интервала использованы при эксплуатации ИИС, обслуживающей технологический процесс производства порошка диоксида урана на ОАО «Машиностроительный завод», г. Электросталь.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Модель использования результатов взаимокорреляционной обработки измерительных сигналов в информационно взаимосвязанных ИК для повышения метрологической надежности многоканальных ИИС.
2. Экспериментальные зависимости деградации точностных характеристик ИК ИИС, обслуживающих технологический процесс производства порошка диоксида урана.
3. Практические рекомендации по повышению метрологической надежности предназначенной для контроля технологического процесса про 11 изводства порошка диоксида урана 196-ти канальной ИИС, основанные на фактических данных деградации точности в информационно взаимосвязанных группах ИК.
Реализация результатов работы.
Результаты работы внедрены на ОАО «Машиностроительный завод», г. Электросталь, в эксплуатационные документы и методику поверки ИИС контроля технологического процесса производства порошка диоксида урана, что позволило увеличить межповерочный интервал в 1,5 раза (с 1 года до 1,5).
Достоверность научных положений подтверждена практикой эксплуатации 196-канальной ИИС, обслуживающей технологический процесс производства порошка диоксида урана для ТВЭЛов.
Область применения результатов. Сложные многоканальные ИИС, обслуживающие непрерывные технологические процессы производства различных материалов, обладающие высокими требованиями к эксплуатационной метрологической надежности и безопасности, распределенные в пространстве и имеющие корреляционные связи между ИК.
Публикации по теме диссертации. Автор имеет 9 опубликованных работ по теме диссертации.
Апробация. Основные положения диссертационной работы были доложены на научных семинарах кафедры «Метрология и стандартизация» МГТУ им. Н.Э. Баумана, на 7 и 9 всероссийских научно-технических конференциях «Состояние и проблемы технических измерений» в 2000 и 2004 гг., П всероссийской научно-практической конференции «Качество жизни: Россия XXI века» в 2000 г., Ш всероссийской научно-практической конференции «Качество жизни и российское предпринимательство» в 2001 г., IV Всероссийской научно-практической конференции «Качество жизни: государственное регулирование и социальное партнерство» в 2003 г., г. Москва.
Внедрение. Сделанные рекомендации оформлены в виде проекта НТД, которая применяется при эксплуатации и поверке ИИС, предназначенной для обслуживания технологического процесса производства уранового топлива на предприятии ОАО «Машиностроительный завод».
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений.
Объем работы Содержание изложено на 135 страницах, включая 25 рисунков и 10 таблиц, а также 7 приложений.
Обзор методов и средств обеспечения метрологической надежности ИИС
Работы, посвященные общей структуре ИИС и системному подходу к их разработке [12 -13,15 - 16, 50, 57] обобщали имеющийся опыт по проектированию и изготовлению систем. В 80 - 90-х гг. появлялось большое количество публикаций, посвященных ИИС. Это работы М.П. Цапенко, СМ. Мандельштама, К.Л. Куликовского, А.Д. Пинчевского, А.Л. Семенюка [12, 15 - 18]. Эти авторы систематизировали алгоритмы и подходы к метрологическому обеспечению ИИС, рассматривали вопросы их математического моделирования. Однако в этих работах вопросы эксплуатации измерительных систем комплексно не рассматривались. Разработке ИИС, отвечающих требованиям точности, подобным процессу производства Ue, посвящены работы [1 - 3, 8, 42 и пр.], безотказности [4, б, 34 и пр.], эксплуатации и поверке [5,43,47-48,71].
В настоящее время появились новые технические возможности использовать ранее разработанные подходы для повышения эффективности ИИС, что связано с применением алгоритмов получения и обработки измерительной информации в реальном масштабе времени с помощью ЭВМ.
В литературных источниках уделяется основное внимание вопросам точности таких ИИС [14, 27, 29 -30, 37, 39, 74], их надежности [4, 6, 34, 49, 52], метрологическому обеспечению [11, 13, 19 - 21, 28, 31 - 32, 58, 60, 70, 75], методам поверки и калибровки [5, 43, 48, 68, 72, 76], аттестации [9, 18, 64, 73]. Освещены также вопросы разработки ИИС [8, 22, 24, 33, 38, 42, 46, 53, 56] и их влияния на эффективность технологического процесса [65 - 67, 69].
Однако подавляющее большинство этих работ посвящены обеспечению указанных характеристик ИИС на стадии разработки ИИС.
Вместе с тем вопросам обеспечения эксплуатационных показателей ИИС уделяется, по нашему мнению, недостаточное внимание. Так по вопросам эксплуатационной надежности ИИС практически отсутствуют литературные источники. Однако для её оценки можно руководствоваться результатами исследований безотказности сложных технических систем [4, 52 и пр.].
В частности, например, в работе [4] рассмотрены методы обеспечения безотказности сложных технических систем на различных этапах их жизненного цикла: при разработке, производстве и эксплуатации; при этом основное внимание уделяется системным методам качественного анализа безотказности («дерево отказов», методов анализа характера и последствий потенциальных отказов), превентивным методам борьбы с отказами (принципы обеспечении бездефектного производства, обнаружения предотказного состояния и предотвращения отказов в эксплуатации). Однако хотя ИИС и является сложной технической системой, некоторые её особенности, в частности многоканальность, необходимость мгновенного получения и обработки измерительной информации, взаимокорреляционное взаимодействие между группами измерительных каналов, - не позволяют применять указанные методы без адаптации.
В книге [34] рассмотрены вопросы теоретических основ надежности технических изделий (технических устройств, объектов, аппаратов, приборов общего и специального применения), изложены расчетные методы оценки, вопросы организации испытаний изделий, методическое обеспечение ускоренных испытаний и моделирование технического состояния отказоустойчивых систем, а также рассмотрены вопросы обеспечения надежности при разработке, испытаниях и эксплуатации изделий. При этом не учтены такие аспекты ИИС, как её уникальность (отсутствие статистики функционирования данного типа систем), а также невозможность моделирования технологического процесса, контролируемого ИИС, ввиду его сложности и отсутствие «эталонов» процесса.
Структуры и алгоритмы функционирования основных разновидностей ИИС рассмотрены в работе [12], где приводятся описания измерительно-вычислительных комплексов, микропроцессорных средств и других системных средств ИИС, излагаются основы системотехнического проектирования ИИС с позиций точности, надежности и эффективности функционирования систем. При этом вопросам метрологической надежности ИИС в процессе эксплуатации не уделяется достаточного внимания.
Вопросам метрологического обеспечения посвящена работа [13]: с позиций системного подхода выбирается комплексный показатель эффективности для оценки конечного эффекта от метрологического обеспечения - повышения готовности и эффективности радиоэлектронной аппаратуры., приводятся соотношения для определения достоверности измерительного контроля работоспособности и исправности, а также для оценки реальной точности технических измерений с учетом метрологических отказов средств измерений. Некоторые положения данной работы могут быть применены и для ИИС, но в адаптированном варианте, однако ввиду специфики метрологического обеспечения ИИС ряд задач не освящен в необходимом объеме.
Системный подход к организации метрологического обеспечения качества продукции был представлен в работах Г И. Кавалерова, Ю.В. Тарбеева, Е.Т. Удовиченко, Ю.И. Койфмана, Л.Е. Алешина, Э.В. Цветкова, А.А. Харке-вича, [19,20 - 21, 50, 51, 54], и прочих ученых. Но в этих работах метрологическое обеспечение систем осуществляется с общих позиций метрологического обеспечения: метрологическая аттестация систем, их поверка и калибровка и т.д. Сейчас вопросам анализа и синтеза таких систем посвящено значительное количество работ, например [1 - 3, 8]. В этих работах основное внимание уделяется оценке и обеспечению их точностных характеристик не только в процессе разработки, но и изготовления.
Вместе с тем, вопросам обеспечения точности ИИС в процессе эксплуатации уделяется недостаточное внимание. При этом тех, кто занимается обслуживанием таких систем, значительно больше, чем разработчиков и изготовителей. Перед ними стоят специфические вопросы обеспечения точностных характеристик этих изделий в процессе эксплуатации. Многие из этих вопросов связаны с уровнем метрологической надежности ИИС.
Вопросам определения точности, алгоритмам, системной интеграции, управлению и технологии изготовления, структуре ИИС уделяется много внимания [1, 2, 45, 56 - 57]. Однако не учитывается эмерджентные свойства систем, а также технологических процессов, которые они обслуживают. При этом использование таких алгоритмов с учетом вышеназванных особенностей для многоканальных систем позволит повысить эффективность управления технологическими процессами и делать необходимые оценки фактической метрологической надежности.
Оценка неопределенности контроля сложных технологических процессов с помощью ИИС
Основным назначением ИИС является получение, обработка информации о состоянии объекта контроля, а также выработка управляющего сигнала для корректировки протекающих технологических процессов.
В ходе работы реальной ИИС происходят потери информации вследствие ограничений по точности и надежности ИК ИИС, а также из-за отсутствия возможности сплошного контроля за всеми процессами, происходящими в технологических объектах ИИС. При этом в условиях большого количества ИК возможны ситуации внезапных или постепенных отказов произвольного числа каналов. Таким образом, состав и свойства ИИС могут изменяться во времени и существенно изменять количество поступаемой и обрабатываемой информации. Это в свою очередь влияет на выработку корректирующих воздействий и течение технологического процесса в целом.
Существуют различные подходы к решению задачи неопределенности контроля с помощью ИИС и потерь информации о состоянии объекта контроля.
Теория информации рассматривает ИИС как шенноновский канал передачи информации с помехами, в качестве которых выступают погрешности измерения и преобразования координат состояния объекта [34]. При этом недостоверная информация передается через надежную ИИС. Теория надежности, напротив, рассматривает случай отказов ИИС при передаче достоверной информации.
Однако в реальных ИИС, эксплуатируемых на производстве, происходит следующее: недостоверная измерительная информация передается и обрабатывается с потерями при помощи ИИС ограниченной надежности, обладающей стохастической структурой.
Надежность ИИС выражается в виде вероятности безотказной работы. Мерой же эффективности ИИС служит отношение количества информации Iy(t), полученной на выходе ИИС за время её работы, к количеству информации Ix(t), поступившей на вход за то же время. Таким образом, эффективность ИИС W(t) = ly(t) / Ix(t), а потери информации за время t вследствие ограниченной точности и надежности ИИС составят AI (t) = Ix(t) - Iy(t). Алгоритмически решение задачи неопределенности контроля с помощью ИИС представляется в виде непрерывной диагностики состояния ИИС, обработки получаемой совокупности измерительной информации и формирования управляющего сигнала. При этом важным аспектом анализа эффективности ИИС является не точность каждого ИК в отдельности, а информация о данных, получаемых при помощи ИК, точках контроля, где расположены датчики, считывающие данные о технологическом процессе, и взаимовлияниях ИК друг на друга.
Свойства ИИС таковы, что при теоретическом рассмотрении процессов и модели протекания технологических объектов обнаруживается функциональная связь между некоторыми физическими величинами, которые явля ются измеряемыми величинами для ИК ИИС. Таким образом, появляется возможность использовать функциональное резервирование измерительной информации путем выделения динамики изменения такой информации, возникающей вследствие общих причин, связанных с физическими и химическими процессами в объектах контроля.
Существуют различные подходы к совместной обработке информации от ИИС, но, по существу, наиболее рационально использовать метод взаимокорреляционной обработки измерительной информации. Это связано с тем, что при таком методе используются: 1) данные о законах функционирования объекта контроля; 2) сведения о функциональных связях между ИК ИИС, которые представляют собой физические законы изменения измерительной информации, вызванной общими причинами; 3) алгоритмы поиска ИК с минимальной надежностью вследствие постепенных или внезапных отказов и корректировки результатов измерений, полученных с их помощью.
Технологические объекты процесса получения порошка UO2 включают в себя совокупность каналов, при этом такие объекты в свою очередь состоят из локальных элементов, внутри которых целесообразно разбить совокупность ИК на группы. Практика указывает на функциональное влияние таких ИК внутри групп, при этом число однородных ИК, составляющих группы, невелико. Таким образом, целесообразно применение взаимокорреляционной обработки измерительной информации, получаемой ИК, входящими в группы.
Экспериментальные исследования интенсивности деградации точности ИКИИС
В ходе проведения исследований и применения методики экспериментальных работ были получены данные об увеличении погрешностей ИК ИИС с течением времени. Вид функциональной зависимости деградации точности ИК от времени выглядит при некоторых упрощениях следующим образом (см. рис. 3.6). Учитывая опыт [29] и подтверждающие его результаты эксперимента, преобразуем полученные данные следующим образом. Разложим совокупность графиков рис. 3.6 на две составляющих с учетом знака изменения точности (см. рис. 3.7). В дальнейшем подробно остановимся на случае рис. 3.7, а), поскольку рис. 3.7, б) является схожим, но с точностью до знака. Процесс нарастания интенсивности деградации ИК ИИС имеет следующие свойства. Он является случайным процессом и характеризуется: 1) математическим ожиданием (или систематической погрешностью измеряемой величины), которое представляет собой монотонно изменяющуюся зависимость от времени (возрастающую для случая (а) и убывающую - для случая (б), чаще всего линейную или экспоненциальную; 2) дисперсией (или случайной составляющей погрешности измеряемой величины), монотонно возрастающей с течением времени для всех рассмотренных выше случаев (рис. 3.7, а-б), создавая поворот и расширение со временем полосы погрешностей [29]. При этом наклон, сдвиг и ширина полосы связаны также с изменением формы закона распределения погрешностей во времени. Однако известно свойство, согласно которому при использовании для оценки случайной со ставляющей погрешности с доверительной вероятностью Рд = 0,9 оценки Ао,9 = 1,6а доверительная вероятность выхода погрешности за симметричные границы м с , (где Ас - систематическая составляющая погрешно сти, а - среднеквадратическое отклонение погрешности) будет иметь значение Рд = 0,95, тогда как выход за нижнюю границу будет практически отсутствовать. Тогда модель изменения погрешности в виде нестационарного случайного процесса имеет вид A(t) = A(0)+ka+vt, где А(0) - значение математического ожидания погрешности измерений в начальный момент времени t = 0; к - коэффициент, зависящий от вероятности и закона изменения погрешности; v - скорость нарастания погрешности во времени.
Для вероятности Р = 0,95 эта модель преобразуется с учетом вышеуказанного свойства Ao,95(t) = A(0)+l,6a+vt. Эксперименты показали, что большинство графиков изменения точности ИК ИИС с течением времени описываются линейной моделью. Угол наклона прямой при этом практически постоянен на некотором промежутке времени. Иллюстрирует сказанное рис. 3.8, на котором показана процедура усреднения линейных аппроксимаций графиков измерения погрешностей ИК в зависимости от времени. Модели изменения относительных погрешностей с течением времени подчиняются следующим агшроксимационным формулам [29]: где v, b - коэффициенты модели, которые характеризуют скорость и ускорение изменения погрешности соответственно и находятся с помощью регрессионного анализа, например, методом наименьших квадратов, 8j (0) и Для случая линейной аппроксимации скорости нарастания деградации точности с учетом допущения, что под скоростью v понимается скорость возрастания 95%-й квантили случайного нестационарного процесса старения ИК, то линейная модель (3.1), описывающая положение верхнего края нестационарного процесса изменения погрешности будет выглядеть следующим образом При этом тренд математического ожидания v выражает угол наклона прямой и в количественном отношении равняется тангенсу её угла наклона (tg (ХІ на рис. 3.7). Экспериментально было установлено и результатами работы [29] подтверждено, что с течением времени до проведения поверочных работ (срок межповерочного интервала 1 год) угол а изменяется незначительно.
Основываясь на этой информации, сделаем вывод, что тенденция деградации точности ИК внутри межповерочного интервала сохраняется постоянной. Это можно использовать в виде коррекции измерительной информации от ИК ИИС, погрешности которых приближаются к критической границе. Аппроксимирующие линейные зависимости, вычисленные по накопленной за определенный промежуток времени измерительной информации, усредняются по точкам, образуя среднюю линию между всеми полученными в ходе наблюдений графиками погрешностей. Усреднение производится по формуле где п - число ИК, входящих в группу. Рассмотрим тренд погрешности ИК, наиболее приближенный к критическому значению, поскольку вероятность его выхода за допустимые границы наибольшая. Прогнозное значение деградации точности ИК к моменту времени t+т рассчитывается по формулам (3.2-3.3), при этом если выразить его через усредненное значение, то получим следующее уравнение
Методика оценки метрологической надежности ИИС, обслуживающей процесс получения порошка диоксида урана UO2 из гексафторида урана ОТб
В ходе технологического процесса проведение экспериментальных работ возможно практически только в виде наблюдения, поскольку вмешательство в течение процесса в виде эталонных сигналов недопустимо. Получение и использование измерительной информации с целью повышения метрологической надежности возможно без изменения течения технологического процесса, обслуживаемого ИИС. Для сбора и обработки получаемой информации применяется система мониторинга в виде пункта сбора и архивирования получаемой информации на специальных серверах - порталах для обработки собираемой информации и проведения автокалибровок.
Основу методики проведения исследований составляет адаптация существующих методов обработки информации [9, 27, 29, 36, 65, 73 и пр.]. Настоящая программа исследований распространяется на измерительные каналы температуры, давления, дифференциального давления, расхода и физических величин (концентрации, рН - измерения, уровней, влажности) информационно-измерительную систему (ИИС), обслуживающую процесс получения порошка диоксида урана UO2 из гексафторида урана 1Л\5- А также устанавливает содержание и методику проведения исследовательских работ. Данный документ составлен в соответствии со стандартами предприятия. Исследования проводятся на месте эксплуатации ИК ИИС специалистами метрологической лаборатории совместно с представителями эксплуатационной службы цеха. Целью исследований является оценка метрологических характеристик измерительных каналов (ИК), входящих в состав ИИС, получение, использование и управление измерительной информацией, поступающей в ИИС, а также проведение автоматической калибровки ИК. Состав и перечень ИК Перечень измерительных каналов ИИС приведен в Приложении 3. Измерительные каналы ИИС, обслуживающей процесс получения порошка диоксида урана UO2 из гексафторида урана Шб формируются из приборной части и системы обработки информации. Измерительные каналы температуры, давления, расхода, концентрации, разности давления, уровня, рН, влажности сформированы из следующих элементов: первичный преобразователь, модуль ЕТ200М, контроллер S4-400, ЭВМ. Измерительные каналы температуры контрольной и массы сформированы из следующих элементов: первичный преобразователь, вторичный преобразователь, модуль ЕТ200М, контроллер S4-400, ЭВМ.
Состав и метрологические характеристики ИК приведены в Приложении 3-4. Исследования проводятся по всем измерительным каналам ИИС. Информация, получаемая от каждого ИК в режиме реального времени, приходит на вышеуказанные порталы, расположенные на рабочем месте оператора. Таким образом, можно в одном месте проследить за ходом технологического процесса, за всеми его стадиями. Анализ измерительной информации проводится в режиме реального времени для всего ИК в совокупности. В процессе анализа исследуется диапазон протекания технологического процесса, определяются корреляционные зависимости между каждой парой измерительных каналов, определяется уровень значимости корреляционной связи между парами ИК, оцениваются запасы точности каждого канала. При этом на основе анализа точности ИК принимаются решения о калибровке каждого конкретного канала. Таким образом, достигается главная цель исследования - повышение метрологической надежности всей системы в целом. Анализ проводится с использованием аппарата математической статистики (регрессионного и корреляционного анализа), статистической обработки многократных измерений, построения планов измерений, прогнозирования. Схема исследований Функциональная схема, осуществляющая анализ измерительной информации, включает в себя следующие элементы: коммутирующее устройство; коррелятор, осуществляющий обработку сигналов с пар ИК; математическая схема, производящая проверку значимости оценки корреляционной функции и дающая оценку степени приближения погрешности ИК к заданной критической границе;
